DNA-synthese: het bouwen van genetisch materiaal vanaf nul
DNA-synthese is het chemisch of enzymatisch namaken van DNA-strengen, letter voor letter, zonder dat er een levend organisme aan te pas komt. DNA bestaat uit een reeks van vier bouwstenen, de basen A, C, T en G, die samen de genetische code vormen. Bij DNA-synthese kiest een onderzoeker zelf welke volgorde van die letters hij wil hebben, en een machine bouwt vervolgens die exacte streng op, base na base.
Vergelijk het met een 3D-printer, maar dan voor genetisch materiaal: in plaats van laagjes plastic worden laagjes chemische bouwstenen op elkaar gestapeld tot er een compleet stukje DNA ontstaat. Waar je vroeger DNA alleen kon aflezen (sequencing) of uit een cel moest isoleren, kun je het nu ook gewoon bestellen: je typt een DNA-volgorde in een computer, en een paar dagen later krijg je een buisje met precies dat DNA thuisgestuurd. Deze technologie ligt aan de basis van veel moderne biotechnologie, van vaccins tot synthetische levensvormen.
Wat is het precies?
De meest gebruikte methode heet phosphoramidietsynthese, ontwikkeld in de jaren tachtig door scheikundige Marvin Caruthers. Hierbij wordt een DNA-streng opgebouwd op een vaste drager, meestal een kleine glaskraal, door er steeds één nieuwe base aan vast te plakken.
Dat gebeurt in een cyclus van vier stappen die telkens wordt herhaald: de nieuwe base wordt gekoppeld, overtollige chemicaliën worden weggespoeld, de verbinding wordt chemisch gestabiliseerd (oxidatie), en een beschermend molecuul wordt verwijderd zodat de volgende base kan aankoppelen. Voor elke letter in de gewenste DNA-volgorde doorloopt de machine deze cyclus opnieuw.
Elke koppelstap is niet perfect: gemiddeld lukt ongeveer 99 procent van de koppelingen. Dat klinkt goed, maar bij een lange streng stapelen de foutjes zich op. Daarom kunnen machines op deze manier maar beperkt lange stukken DNA maken, doorgaans tot ongeveer 200 a 300 baseparen. Voor complete genen, die al snel duizenden baseparen lang zijn, worden meerdere korte stukjes apart gesynthetiseerd en daarna aan elkaar gezet met enzymen, bijvoorbeeld via de Gibson Assembly-methode die bioloog Daniel Gibson in 2009 publiceerde.
Sinds enkele jaren wordt ook gewerkt aan enzymatische DNA-synthese, waarbij een enzym (TdT, een eiwit dat van nature DNA verlengt) de bouwstenen aankoppelt in plaats van chemische reacties. Dit belooft minder giftig chemisch afval en mogelijk langere, nauwkeurigere strengen, maar de technologie is nog volop in ontwikkeling en nog niet overal even betrouwbaar op grote schaal.
Wat wil men ermee bereiken?
Het grondidee is dat je, als je DNA net zo makkelijk kunt schrijven als lezen, biologie kunt ontwerpen zoals je software programmeert. Dat opent allerlei toepassingen.
In de synthetische biologie worden organismen zoals gist of bacteriën voorzien van nieuw ontworpen DNA, zodat ze stoffen gaan aanmaken die ze van nature niet maken, zoals medicijnen, biobrandstof of voedingsstoffen. In de gezondheidszorg is synthetisch DNA de basis voor gentherapie, voor onderdelen van vaccins, en voor onderzoeksmateriaal zoals gidsmoleculen voor de gen-bewerkingstechniek CRISPR.
Een minder voor de hand liggende toepassing is dataopslag: omdat DNA extreem compact is en, mits koel en droog bewaard, duizenden jaren mee kan, onderzoeken wetenschappers of DNA een duurzaam alternatief kan zijn voor harde schijven voor langetermijnarchivering. Ten slotte is DNA-synthese simpelweg een basisgereedschap geworden in laboratoria wereldwijd, vergelijkbaar met hoe een programmeur code compileert.
Voorbeelden uit de praktijk
Synthetisch bacterieel genoom (J. Craig Venter Institute, 2010): onderzoekers bouwden het volledige genoom van de bacterie Mycoplasma mycoides na uit synthetisch DNA en plaatsten dit in een lege bacteriecel van een andere soort. De cel ging leven en delen op basis van het kunstmatige genoom, gepubliceerd in het tijdschrift Science.
JCVI-syn3.0 (2016): hetzelfde instituut presenteerde een verder vereenvoudigd synthetisch genoom met slechts ongeveer 473 genen, het minimum dat nodig bleek voor een levensvatbare cel. Dit hielp onderzoekers begrijpen welke genen echt essentieel zijn voor leven.
mRNA-vaccins tegen covid-19 (2020): zowel Moderna als BioNTech/Pfizer gebruikten synthetisch geproduceerd DNA als sjabloon om in het laboratorium mRNA te maken voor hun vaccins. Zonder snelle, betrouwbare DNA-synthese was de razendsnelle ontwikkeling van deze vaccins niet mogelijk geweest.
Twist Bioscience (opgericht 2013): dit Amerikaanse bedrijf synthetiseert DNA op siliciumchips in plaats van in losse buisjes, waardoor het duizenden korte DNA-stukjes tegelijk en veel goedkoper kan maken. Het bedrijf ging in 2018 naar de beurs.
DNA Script (Frankrijk): dit bedrijf bracht rond 2021 een van de eerste commerciele tafelmodel-apparaten op de markt die DNA enzymatisch synthetiseren, bedoeld om laboratoria onafhankelijk te maken van externe bestellingen.
Hoe ver is de techniek?
De kosten van DNA-synthese zijn de afgelopen twintig jaar spectaculair gedaald, van enkele dollars per letter naar een fractie van een cent, een trend die vaak vergeleken wordt met de wet van Moore in de chipindustrie. Toch blijft er een duidelijke asymmetrie: DNA aflezen (sequencing) is inmiddels extreem snel en goedkoop, maar DNA schrijven (synthese) is nog altijd trager en duurder.
De belangrijkste technische horde blijft de lengte en nauwkeurigheid van een enkele synthesestap. Chemische synthese blijft beperkt tot enkele honderden baseparen per streng, en foutcorrectie en assemblage van fragmenten kosten tijd. Enzymatische synthese zou dit kunnen verbeteren, maar is nog niet op grote schaal even goedkoop en betrouwbaar als de gevestigde chemische methode.
Een ander aandachtspunt is biosecurity: omdat je in principe elke DNA-volgorde kunt bestellen, inclusief onderdelen van gevaarlijke ziekteverwekkers, screenen de meeste grote aanbieders bestellingen automatisch tegen databases van risicovolle sequenties. Dit gebeurt onder meer via afspraken van het International Gene Synthesis Consortium, opgericht in 2009. Dit systeem is niet waterdicht en blijft onderwerp van discussie onder wetenschappers en beleidsmakers.
Wie werken eraan?
De Verenigde Staten zijn toonaangevend in dit veld. Bedrijven als Twist Bioscience, Integrated DNA Technologies (IDT, onderdeel van Danaher) en GenScript behoren tot de grootste commerciele leveranciers van synthetisch DNA. Op het gebied van enzymatische synthese lopen DNA Script (Frankrijk) en het Amerikaanse Ansa Biotechnologies voorop.
Op onderzoeksgebied speelt het J. Craig Venter Institute een sleutelrol in synthetische genomen, terwijl het laboratorium van bioloog George Church aan Harvard University al jaren baanbrekend werk doet op het snijvlak van DNA-synthese en synthetische biologie. Microsoft Research werkt samen met de University of Washington aan DNA als dataopslagmedium. Het Boston-gevestigde Ginkgo Bioworks, opgericht in 2008 als spin-off van het MIT, gebruikt DNA-synthese op industriele schaal om micro-organismen te ontwerpen voor klanten in uiteenlopende sectoren. Ook China investeert fors in deze technologie, onder meer via het biotechbedrijf BGI Group.